CN111480262A - 制造波导组合器的方法 - Google Patents

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Abstract

本文所描述的实施方式涉及用于制造波导组合器的方法。所述方法提供波导组合器，所述波导组合器具有限定精细光栅的由无机或混合(有机和无机)材料形成的输入耦合区域、波导区域和输出耦合区域。在一个实施方式中，由压印印模形成波导结构，所述压印印模在设置在基板的表面上的抗蚀剂上具有正波导图案以形成负波导结构。将所述无机或混合材料沉积在所述基板上并然后移除所述抗蚀剂以形成具有与由无机或混合(有机和无机)材料形成的输入耦合区域、波导区域和输出耦合区域中的至少一个相对应的区域的波导结构。

Description

制造波导组合器的方法
背景技术
领域
本公开的实施方式总体涉及用于增强现实、虚拟现实和混合现实的波导。更具体地，本文所描述的实施方式提供了制造波导的方法。
相关技术描述
虚拟现实一般被认为是计算机生成的模拟环境，在所述环境中，用户具有明显物理存在。可以3D生成虚拟现实体验并用头戴式显示器(HMD)查看，所述HMD诸如眼镜或具有近眼显示面板作为透镜以显示替代实际环境的虚拟现实环境的其他可穿戴显示装置。
然而，增强现实技术提供了如下体验，即用户仍可透过眼镜或其他HMD装置的显示透镜看到周围环境，还可看到被生成以用于显示并作为环境的部分出现的虚拟对象的图像。增强现实可包括任何类型的输入，诸如音频和触觉输入，以及可加强或增强用户所体验的环境的虚拟图像、图形和视频。作为新兴技术，增强现实存在许多挑战和设计约束。
一个这样的挑战是显示叠加在周围环境上面的虚拟图像。波导用于辅助叠加图像。所生成的光通过波导传播，直到光离开波导并叠加在周围环境上面。由于波导趋于具有不均匀的性质，因此制造波导可能是有挑战性的。因此，本领域中需要改进的增强波导和制造的方法。
发明内容
在一个实施方式中，提供了一种制造波导结构的方法。所述方法包括将印模压印到抗蚀剂中。所述压模具有包括至少一个图案部分的正波导图案。所述压印形成包括具有残留层的反区域的负波导结构。所述抗蚀剂设置在基板的一部分的表面上，并且所述基板具有第一折射率。将所述抗蚀剂固化在所述基板的所述表面上。释放所述印模并移除所述残留层。沉积涂层。所述涂层具有基本上匹配或大于所述基板的所述表面的第一折射率的第二折射率。从包括区域的波导结构移除所述抗蚀剂。
在另一个实施方式中，提供了一种制造波导结构的方法。所述方法包括在压模的负波导结构上沉积具有第二折射率的涂层。所述第二折射率基本上匹配或大于基板的第一折射率。所述负波导结构包括反区域。将所述涂层平面化并粘结到所述基板的一部分的表面。释放所述压模以形成包括区域的波导结构。
在又一个实施方式中，提供了一种制造波导结构的方法。所述方法包括在压模的负波导结构上沉积具有在1.5与2.5之间的第二折射率的涂层。所述涂层在所述负波导结构上是基本上平面的。所述第二折射率基本上匹配或大于所述基板的在1.5与2.5之间的第一折射率。所述负波导结构包括反输入耦合区域和反输出耦合区域。将所述涂层粘结到所述基板的一部分的表面。所述基板的所述表面上设置有光学粘合剂，所述光学粘合剂具有基本上匹配所述第一折射率和所述第二折射率的第三折射率。释放所述压模以形成具有区域的波导结构。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征的方式，可参考实施方式来提供以上简要地概述的本公开的更特定的描述，其中一些在附图中例示。然而，应注意，附图仅例示了示例性实施方式并因此不应视为对本公开的范围的限制，可允许其他等效实施方式。
图1是根据一个实施方式的波导组合器的透视前视图。
图2是根据一个实施方式的例示用于制造波导结构的方法的操作的流程图。
图3A至图3F是根据一个实施方式的在用于制造波导结构的方法期间的波导结构的示意性剖视图。
图4是根据一个实施方式的例示用于制造波导结构的方法的操作的流程图。
图5A至图5D是根据一个实施方式的在用于制造波导结构的方法期间的波导结构的示意性剖视图。
为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记标示各图共有的相同元件。设想的是，一个实施方式的要素和特征可有益地并入其他实施方式，而不进一步叙述。
具体实施方式
本文所描述的实施方式涉及用于制造波导结构的方法。本文所描述的方法使得能够制造具有由无机或混合(有机和无机)材料形成的输入耦合区域、波导区域和输出耦合区域的波导结构。
图1是波导组合器100的透视前视图。应理解，下文所描述的波导组合器100是示例性波导组合器。波导组合器100包括由多个光栅108限定的输入耦合区域102、波导区域104、以及由多个光栅110限定的输出耦合区域106。
输入耦合区域102从微显示器接收具有一定强度的入射光束(虚拟图像)。多个光栅108中的每个光栅将入射束分成多个模式，每个束具有一个模式。零阶模式(TO)束在波导组合器100中被折射回或丢失，正一阶模式(T1)束经历全内反射(total-internal-reflection，TIR)通过波导组合器100穿过波导区域104到达输出耦合区域106，并且负一阶模式(T-1)束在波导组合器100中沿与T1束相反的方向传播。T1束经历全内反射(TIR)通过波导组合器100，直到T1束与输出耦合区域106中的多个光栅110接触。T1束接触多个光栅110中的光栅，其中T1束分成T0束、T1束和T-1束，所述T0束在光束合成器100中被折射回或损失，所述T1束在输出耦合区域106中经历TIR直到T1束接触多个光栅110中的另一个光栅，所述T-1束耦合出波导组合器100。
图2是例示用于制造如图3A至图3F所示的波导结构300的方法200的操作的流程图。在一个实施方式中，波导结构300对应于波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和输出耦合区域106中的至少一个。在另一个实施方式中，波导结构300对应于波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和输出耦合区域106中的至少一个的母板。在操作201处，将具有正波导图案310的压模308压印在设置在的基板304的部分302的表面306上的抗蚀剂326上，以形成负波导结构312。基板304具有第一折射率。在一个实施方式中，基板304包括玻璃和塑料材料中的至少一种。
如图3A所示，正波导图案310包括至少一个图案部分314，以形成波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和输出耦合区域106中的至少一个。如图3A和图3B所示，负波导结构312包括具有残留层318的反区域316，所述残留层通常称为底表面。在一个实施方式中，反区域316包括多个反光栅320以形成输入耦合区域102的多个光栅108、输出耦合区域106的多个光栅110和波导区域104中的至少一个。在一个实施方式中，反光栅320具有平行于基板304的表面306的反顶表面322、反侧壁表面324、以及平行于基板304的表面306的残留层318。在一个实施方式中，反光栅320的反侧壁表面324中的每个垂直于基板304的表面306取向。在另一个实施方式中，反光栅320的反侧壁表面324中的每个相对于基板304的表面306成角度。在又一个实施方式中，反侧壁表面324的一部分垂直地取向，并且反光栅320的反侧壁表面324的一部分相对于基板304的表面306成角度。
在操作202处，固化基板304的表面306上的抗蚀剂326以稳定抗蚀剂326。在操作203处，从抗蚀剂326释放印模308。在一个实施方式中，压模308由具有负图案的波导母板制成，所述负图案包括反图案部分。压模308由波导母板模制而成。压模308包括半透明材料，诸如熔融二氧化硅或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，以允许抗蚀剂326通过暴露于电磁辐射(诸如红外(IR)辐射或紫外线(UV)辐射)而固化。在一个实施方式中，抗蚀剂326包括UV可固化材料(诸如可从Micro Resist Technology获得的mr-N210)，所述UV可固化材料可由包括PDMS的压模308纳米压印。在一个实施方式中，基板304的表面306准备好通过UV臭氧处理、氧(O2)等离子体处理或通过施加底料(primer)(诸如可从Micro Resist Technology获得的mr-APS1)旋涂UV可固化材料。抗蚀剂326可替代地被热固化。在另一个实施方式中，抗蚀剂326包括可热固化材料，所述可热固化材料可通过包括热加热或红外照明加热的溶剂蒸发固化工艺来固化。可使用液体材料浇铸工艺、旋涂工艺、液体喷涂工艺、干粉涂覆工艺、丝网印刷工艺、刮刀工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、可流动CVD(FCVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺来在表面306上沉积抗蚀剂326。
在操作204处，移除残留层318。在一个实施方式中，通过使用含氧气(O2)等离子体、含氟气(F2)等离子体、含氯气(Cl2)等离子体和含甲烷(CH4)等离子体通过等离子体灰化(通常称为等离子体除渣)移除残留层318。在另一个实施方式中，将射频(RF)功率施加到O2和惰性气体，诸如氩(Ar)或氮(N)，直到移除残留层318。如图3C所示，反光栅320具有从反顶表面322延伸到基板304的表面306的反深度328、330。在一个实施方式中，反深度328和反深度330基本上相同。在另一个实施方式中，反深度328和反深度328是不同的。
在操作205处，将涂层322沉积在基板304的表面306上。在一个实施方式中，如图3D和图3E所示，涂层322沉积在基板304的表面306和负波导结构312的剩余突起上。涂层322具有基本上匹配或大于第一折射率的第二折射率。涂层322包括旋涂玻璃(SOG)、可流动SOG、溶胶-凝胶、有机纳米可压印材料、无机纳米可压印材料、以及混合(有机和无机)纳米可压印材料中的至少一种，诸如含碳氧化硅(SiOC)、含二氧化钛(TiO2)材料、含二氧化硅(SiO2)材料、含钒氧化物(VOx)材料、含氧化铝(Al2O3)材料、含氧化铟锡(ITO)材料、含氧化锌(ZnO)材料、含五氧化钽(Ta2O5)材料、含氮化硅(Si3N4)材料、含氮化钛(TiN)和/或含二氧化锆(ZrO2)材料中的至少一种。可使用液体材料浇铸工艺、旋涂工艺、液体喷涂工艺、干粉涂覆工艺、丝网印刷工艺、刮刀工艺、PVD工艺、CVD工艺、FCVD工艺或ALD工艺来将涂层322沉积在表面306上。此外，涂层322诸如SiOC涂层可经历UV固化或热固化。如图3D所示，在一个实施方式中，可存在多余涂层322。在实施方式中，使用材料热回流或蚀刻移除多余涂层322。如图3E所示，涂层322与负波导结构312的剩余突起齐平，或在基板304上方延伸到与负波导结构312的其余突起相同的高度。在一个实施方式中，涂层322是液体沉积的，并且多余涂层322通过机械平面化移除。
基于基板304的第一折射率和光栅的强度来调谐涂层322的折射率，诸如通过方法200形成的输入耦合区域102的所得的多个光栅108和/或输出耦合区域106的所得的多个光栅110。基于基板304的第一折射率和光栅的强度来调谐涂层322的折射率，以控制光的入耦合和出耦合并促进光传播通过波导结构300。例如，基板304的表面306的材料具有在约1.5与约2.5之间的第一折射率，并且涂层的材料322具有在约1.5与约2.5之间的第二折射率。通过匹配用于制造基板304的材料和涂层322的材料的折射率，可实现光传播通过基板304和涂层322的材料两者，而在基板304的表面306与涂层322的材料之间的界面处没有显著的光折射。通过利用具有折射率大于用于制造基板304的材料的折射率的涂层322的材料，更多的光将通过光接收角从波导结构300耦合入和耦合出。基板304和涂层322的材料共同地构成波导结构300。与空气的折射率(1.0)相比，通过利用对基板304有在约1.5与约2.5之间的折射率的材料，实现全内反射或至少高程度的反射以促进光传播通过波导结构300。
在操作206处，移除抗蚀剂326以形成波导结构300。在一个实施方式中，使用含O2等离子体、含F2等离子体、含Cl2等离子体和/或含CH4等离子体，通过等离子体灰化移除抗蚀剂326。在另一个实施方式中，将RF功率施加到O2和惰性气体，诸如氩(Ar)或氮(N)，直到移除抗蚀剂326。如图3F所示，波导结构300包括区域334。在一个实施方式中，区域334对应于波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和输出耦合区域106中的至少一个。区域334包括多个光栅336。在一个实施方式中，区域334包括对应于输入耦合区域102的多个光栅108、输出耦合区域106的多个光栅110和波导区域104中的至少一个的多个光栅336。在一个实施方式中，光栅336具有平行于基板304的表面306的顶表面338、以及侧壁表面340。在一个实施方式中，光栅336的侧壁表面340中的每个垂直于基板304的表面306取向。在另一个实施方式中，光栅336的侧壁表面340中的每个相对于基板304的表面306成角度。在又一个实施方式中，侧壁表面340的一部分垂直地取向，并且光栅336的侧壁表面340的一部分相对于基板304的表面306成角度。在一个实施方式中，侧壁表面340以在约15度与约75度之间的角度成角度。光栅336具有从基板304的表面306延伸到顶表面338的深度342、344。在一个实施方式中，深度342和深度344基本上相同。在另一个实施方式中，深度342和深度344是不同的。
图4是例示用于制造如图5A至图5D所示的波导结构500的方法400的操作的流程图。在一个实施方式中，波导结构500对应于波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和/或输出耦合区域106中的至少一个。在另一个实施方式中，波导结构500对应于波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和输出耦合区域106中的至少一个的母板。在操作401处，将涂层322沉积在压模308的负波导结构512上。如图5A所示，在一个实施方式中，所沉积的涂层322与压模308的负波导结构512保形。如图5B所示，在一个实施方式中，所沉积的涂层322相对于压模308的负波导结构512是基本上平面的。因此，不一定在任选的操作402处将涂层322平面化。在任选的操作402处，在一个实施方式中，将涂层322平面化包括通过重力、热回流或化学机械抛光(CMP)进行的机械整平。
压模308从波导母板模制，并且可由半透明材料(诸如熔融二氧化硅或PDMS材料)制成以允许涂层322通过暴露于电磁辐射(诸如IR辐射或UV辐射)而固化。在一个实施方式中，压模308包括刚性背衬片材，诸如玻璃片材，以增加机械强度来促进涂层322的沉积和平面化。
涂层322包括SOG、可流动SOG、溶胶-凝胶、有机纳米可压印材料、无机纳米可压印材料、以及混合(有机和无机)纳米可压印材料中的至少一种，诸如含SiOC材料、含TiO2材料、含SiO2材料、含VOx材料、含Al2O3材料、含ITO材料、含ZnO材料、含Ta2O5材料、含Si3N4材料、含TIN材料和含ZrO2材料中的至少一种。可使用液体材料浇铸工艺、旋涂工艺、液体喷涂工艺、干粉涂覆工艺、丝网印刷工艺、刮刀工艺、PVD工艺、CVD工艺、FCVD工艺或ALD工艺来沉积涂层322。在一个实施方式中，涂层材料掺杂有掺杂剂材料，以便降低涂层材料的熔化温度并允许涂层材料在平面化期间的改进的流动。掺杂剂材料可包括允许在较低温度下热回流的含磷(P)材料和/或含硼(B)材料。
如图5A和图5B所示，负波导结构512包括反区域516。反区域516包括多个反光栅520以形成输入耦合区域102的多个光栅108、输出耦合区域106的多个光栅110和波导区域104中的至少一个。在一个实施方式中，反光栅520具有平行于印模308的底表面521的反顶表面522、反侧壁表面524、以及平行于印模308的底表面521的反底表面523。在一个实施方式中，反光栅520的反侧壁表面524中的每个垂直于印模308的底表面521取向。在另一个实施方式中，反光栅520的反侧壁表面524中的每个相对于压模308的底表面521成角度。在另一个实施方式中，反光栅520是闪耀反成角度光栅，包括相对于压模308的底表面521成角度的反闪耀表面502和垂直于压模308的底表面521取向的反侧壁表面524。在又一个实施方式中，反区域516包括闪耀反成角度光栅和多个反光栅520，其中反侧壁表面524的一部分垂直地定向，并且反光栅520的反侧壁表面524的一部分相对于压模308的底表面521成角度。如图5A和图5B所示，反光栅520具有从压模308的反顶表面522延伸到底表面521的反深度528、530。在一个实施方式中，反深度528和反深度530基本上相同。在另一个实施方式中，反深度528和反深度530是不同的。
在操作403处，如图5C所示，将涂层322粘结到基板304的部分302的表面306。光学粘合剂501用于将涂层322粘结到基板304的表面306。在一个实施方式中，光学粘合剂501可含有透明金属氧化物材料或透明丙烯酸聚合物。光学粘合剂501具有第三折射率。
涂层322具有基本上匹配或大于基板304的第一折射率的第二折射率。基于基板304的第一折射率和光栅的强度来调谐涂层的第二折射率，诸如通过方法400形成的输入耦合区域102的所得的多个光栅108和/或输出耦合区域106的所得的多个光栅110。基于基板304的第一折射率和光栅的强度来调谐涂层322的折射率，以控制光的入耦合和出耦合并促进光传播通过波导结构500。而且，光学粘合剂501具有基本上匹配第一折射率和第二折射率的第三折射率。例如，基板304的表面306的材料具有在约1.5与约2.5之间的第一折射率，光学粘合剂501的材料具有在约1.5与约2.5之间的第三折射率，并且涂层的材料322具有在约1.5与约2.5之间的第二折射率。通过匹配用于制造基板304的材料、光学粘合剂501的材料和涂层322的材料的折射率，可实现光传播通过基板304、光学粘合剂501的材料和涂层322的材料，而在基板304、光学粘合剂501的材料和涂层322的材料之间的界面处没有显著的光折射。通过利用具有折射率大于用于制造基板304的材料的折射率的涂层322的材料，更多的光将通过光接收角从波导结构500耦合入和耦合出。与空气的折射率(1.0)相比，通过利用对基板304和光学粘合剂501的材料有在约1.5与约2.5之间的折射率的材料，实现全内反射或至少高程度的反射以促进光传播通过波导结构500。
在操作404处，释放印模308以形成波导结构500。如图5D所示，波导结构500包括区域534。在一个实施方式中，区域534对应于波导组合器100的输入耦合区域102、波导区域104和输出耦合区域106中的至少一个。区域534包括多个光栅536。在一个实施方式中，多个光栅536对应于输入耦合区域102的多个光栅108、输出耦合区域106的多个光栅110和波导区域104中的至少一个。在一个实施方式中，光栅536具有平行于基板304的表面306的顶表面538、以及侧壁表面540。在一个实施方式中，光栅536的侧壁表面540中的每个垂直于基板304的表面306取向。在另一个实施方式中，光栅536的侧壁表面540中的每个相对于基板304的表面306成角度。在另一个实施方式中，光栅536是闪耀成角度光栅，包括相对于基板304的表面306成角度的闪耀表面506和垂直于基板304的表面306取向的侧壁表面540。在又一个实施方式中，区域534包括闪耀成角度光栅和光栅536，其中侧壁表面540的一部分垂直地取向，并且光栅536的侧壁表面540的一部分相对于基板304的表面306成角度。光栅536具有从光学粘合剂501延伸到顶表面538的深度542、544。在一个实施方式中，深度542和深度544基本上相同。在另一个实施方式中，深度542和深度544是不同的。
总之，本文描述了用于制造波导组合器的方法。所述方法提供波导组合器，所述波导组合器具有限定精细光栅的由无机或混合(有机和无机)材料形成的输入耦合区域、波导区域和输出耦合区域。与不可压印以形成具有用于传播光通过波导的最佳折射率的光栅的有机抗蚀剂相比，无机或混合波导结构是稳定的，具有低光吸收损耗，并且具有用于传播光通过波导组合器的最佳折射率。
尽管前述内容针对的是本公开的示例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可设想其他和进一步示例，并且示例的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种制造波导结构的方法，包括：
将印模压印到抗蚀剂中，所述印模具有包括至少一个图案部分的正波导图案，所述压印形成包括具有残留层的反区域的负波导结构，所述抗蚀剂设置在基板的一部分的表面上并且所述基板具有第一折射率；
固化在所述基板的所述表面上的所述抗蚀剂；
释放所述印模；
移除所述残留层；
沉积具有第二折射率的涂层，所述第二折射率基本上匹配或大于所述基板的所述表面的所述第一折射率；以及
移除所述抗蚀剂以形成包括区域的波导结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括含碳氧化硅(SiOC)材料、含二氧化钛(TiO2)材料、含二氧化硅(SiO2)材料、含钒氧化物(IV)材料(VOx)、含氧化铝(Al2O3)材料、含氧化铟锡(ITO)材料、含氧化锌(ZnO)材料、含五氧化钽(Ta2O5)材料、含氮化硅(Si3N4)材料、含氮化钛(TiN)材料以及含二氧化锆(ZrO2)材料中的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述区域是波导组合器的输入耦合区域、波导区域和输出耦合区域中的至少一个。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述区域包括所述输入耦合区域和所述输出耦合区域中的至少一个的多个光栅。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述多个光栅包括平行于所述基板的所述表面的顶表面和相对于所述基板的所述表面倾斜了一定量的侧壁表面。
6.一种制造波导结构的方法，包括：
在压模的负波导结构上沉积具有第二折射率的涂层，所述第二折射率基本上匹配或大于所述基板的第一折射率，并且所述负波导结构包括反区域；
将所述涂层平面化；
将所述涂层粘结到所述基板的一部分的表面；以及
释放所述印模以形成包括区域的波导结构。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述涂层的所述沉积包括液态材料浇铸工艺、旋涂工艺、液体喷涂工艺、干粉涂覆工艺、丝网印刷工艺、刮刀工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、可流动CVD(FCVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述涂层包括含碳氧化硅(SiOC)材料、含二氧化钛(TiO2)材料、含二氧化硅(SiO2)材料、含钒氧化物(IV)材料(VOx)、含氧化铝(Al2O3)材料、含氧化铟锡(ITO)材料、含氧化锌(ZnO)材料、含五氧化钽(Ta2O5)材料、含氮化硅(Si3N4)材料、含氮化钛(TiN)材料以及/或含二氧化锆(ZrO2)材料。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述区域包括波导组合器的输入耦合区域和输出耦合区域中的至少一个的多个光栅。
10.如权利要求6所述的方法，其中光学粘合剂用于将所述涂层粘结到所述基板的所述表面，并且所述光学粘合剂具有基本上匹配所述第一折射率和所述第二折射率的第三折射率。
11.一种制造波导结构的方法，包括：
在压模的负波导结构上沉积具有在1.5与2.5之间的第二折射率的涂层，所述涂层在所述负波导结构上是基本上平面的，所述第二折射率基本上匹配或大于基板的在1.5与2.5之间的第一折射率，并且所述负波导结构包括反输入耦合区域和反输出耦合区域；
将所述涂层粘结到所述基板的一部分的表面，所述基板的所述表面上设置有光学粘合剂，所述光学粘合剂具有基本上匹配所述第一折射率和所述第二折射率的第三折射率；以及
释放所述压模以形成具有区域的波导结构。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述光学粘合剂包括透明金属氧化物材料或透明丙烯酸聚合物，并且其中所述第三折射率在约1.5与约2.5之间。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述区域包括波导组合器的输入耦合区域和输出耦合区域中的至少一个的多个光栅。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述多个光栅包括平行于所述基板的所述表面的顶表面和相对于所述基板的所述表面倾斜了一定量的侧壁表面。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述多个光栅是闪耀成角度光栅，所述闪耀成角度光栅包括相对于所述基板的所述表面成角度的闪耀表面和垂直于所述基板的所述表面取向的侧壁表面。
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